小波变换和多分辨率处理
北京化工大学
小波变换使得图像压缩、传输和分析变得更快捷！ W.X.J
傅里叶变换与小波变换
傅里叶变换的基础函数是正弦函数。 小波变换基于一些小型波，称为小波，具有变化的频率和 有限的持续时间。
傅里叶变换与小波变换
频域分析具有很好的局部性，但空间域上没有局部化功能。 傅里叶变换反映的是图像的整体特征。
尺度伸缩和整数平移函数定义为：
j,k (x) 2 j/2(2 j x k)
j z,k z
则集合{ j,k (x)}是(x)的展开函数集。从上式可以看出，
k决定了 j,k (x)在x轴的位置，j决定了 j,k (x)的宽度，即
沿x轴的宽或窄的程度，而2 j /2 控制其高度或幅度。由于
5.2 多分辨率展开
可展开的函数组成了一个函数空间，被称为展开 集合的闭合跨度，表示为：
V Spank x
k
f (x)V表示f (x)属于k x的闭合跨度
f (x) akk (x)
k
5.2 多分辨率展开
尺度函数
设(x)是平方可积函数，即(x) L2 (R)，实数二值
5.1.2 子带编码
子带图像编码的二维4频段滤波器组
5.1.2 子带编码
5.1.2 子带编码
5.1.3 哈尔变换
哈尔变换 哈尔基函数是最古老也是最简单的正交小波。哈 尔变换本身是可分离的，也是对称的，可以用下 述矩阵形式表达： T=HFH
其中，F是一个N×N图像矩阵，H是N×N变换矩阵，T 是N×N变换的结果
2.渐进完全性： Vj {0}; Vj L2 (R)
jZ
jZ
3.伸缩规则性：f (x) Vj f (2x) Vj1, j Z
1 , z 0,1
N
hk (z) hpq (z)
1
22p
2 p
2
N
0
(q 1) / 2 p z (q 0.5) / 2 p (q 0.5) / 2 p z q / 2 p 其它
5.1.3 哈尔变换
N=4时
kpq 000 101 211 312
5.1.3 哈尔变换
变换矩阵H包含基函数 hk (z) ，它定义在连续闭区
间 z 0,1, k 0,1,2,..., N 1 N 2n
0 p n 1, p 0时，q 0或1 k 2p q 1
p 0时，1 q 2 p
h0 z h00(z)
1 1 1 1
H4
1

1
4 2
1 2
1 0
1

0

0
0
2

2

5.1.3 哈尔变换
N=2时
H2
1 1 2 1
1对图像的多分辨率分解
1、其局部统计数据相对稳定； 2、大多数值为零，便于压缩； 3、原始图像的粗和细分辨率近 似可以从中提取。
一个乐谱，不光阐明了要演奏的音符（或频率），而且阐 明了何时要演奏。而傅里叶变换，只提供了音符或频率信 息，局部信息在变换过程中丢失了。
与Fourier变换相比，小波变换是空间(时间)和频率的局部 变换，它通过伸缩平移运算对信号逐步进行多尺度细化， 最终达到高频处时间细分，低频处频率细分，能自动适应 时频信号分析的要求，从而可聚焦到信号的任意细节。
5.1.1 图像金字塔
512
高斯和拉普拉斯金字塔
5.1.2 子带编码
在子带编码中，一 幅图像被分解成一 系列限带分量的集 合，称为子带，它 们可以重组在一起 无失真地重建原始 图像。
子带通过对输入进 行带通滤波而得到。
双通道子带编码和重建
5.1.2 子带编码
•完美重建滤波器族
•QMF 正交镜像滤波器 •CQF 共轭正交滤波器
一个金字塔图像结构
5.1.1 图像金字塔
高斯和拉普拉斯金字塔编码
首先对图像用5*5的高斯模板作低通滤波，滤 波后的结果从原图像中减去，图像中的高频细 节则保留在差值图像里；然后，对低通滤波后 的图像进行间隔采样，细节并不会因此而丢失
5.1.1 图像金字塔
高斯和拉普拉斯金字塔编码
拉普拉斯金字塔编码策略
5.2 多分辨率展开
序列展开
信号或函数常常可以被很好地分解为一系列展开 函数的线性组合。
f (x) akk (x)
k
其中，k是有限或无限和的整数下标，ak 是具有实数值
的展开系数，k (x) 是具有实数值的展开函数 如果展开是唯一的，f(x)只有一个ak系数与之对应，则 k (x) 称为基函数。
5.1 背景
为什么需要多分辨率分析？ 如果物体的尺寸很小或对比度不高 高分辨率 如果物体尺寸很大获对比度很强 低分辨率 通常物体尺寸有大有小，或对比有强有弱同时存在
5.1.1 图像金字塔
一幅图像的金字塔是一系列以金字塔形状 排列的分辨率逐步降低的图像集合
金字塔的底部是待处理图像 的高分辨率表示，而顶部是 低分辨率近似。当向金字塔 的上层移动时，尺寸和分辨 率就降低。
包含在子空间中。
哈尔尺度函数
考虑单位高度、单位宽度的 尺度函数：

x

1 0
0 x 1 其它
V0展开函数都属于V1， V0是V1的一个子空间。
5.2 多分辨率展开
多分辨率分析是指满足下列性质的一系列子空间{Vj}, j Z
1.一致单调性： V0 V1 V2
5.2 多分辨率展开
函数的伸缩和平移
给定一个基本函数 (x) ,则 (x) 的伸缩和平移公式 可记为：
a,b (x) (ax b)
5.2 多分辨率展开
函数的伸缩和平移
例：给定函数
(
x)

sin(

0
x)
0 ≤ x 2
其它
则2, (x)的波形如下图所示
函数的伸缩和平移
j,k (x)的形状随j发生变化，(x)被称为尺度函数。
5.2 多分辨率展开
尺度函数
任何j,k上的跨度子空间: Vj Span j,k x k
j增大时，用于表示子空间函数的 j,k x 范围变窄，x有较小
变化即可分开。
随j增加 V j 增大，允许有变化较小的变量或较细的细节函数